Очистити стічні води грибковими ферментами
Все більше хімічних речовин потрапляє у кругообіг води, що загальні стадії очищення очисних споруд не можуть відфільтрувати. Тому дослідницька група розробляє новий фільтр на основі грибкових ферментів, який допомагає розщеплювати ксенобіотики.
Понад 9000 громадських очисних споруд у Німеччині забезпечують біологічне очищення стічних вод та якнайменше забруднення місцевих вод азотистими сполуками. Проте все більше і більше так званих ксенобіотиків, тобто хімічно синтезованих сполук, які не зустрічаються в природі, виявляються у побутових та промислових стічних водах. Сюди входять багато сільськогосподарських хімікатів, ліків або рентгенівських контрастних речовин, а також промислові хімічні речовини, такі як бісфенол А.
Біокаталізатори замість активованого вугілля та озону
Сьогодні більшість очисних споруд працюють з трьома стадіями очищення: спочатку грубі, а потім все більш дрібні забруднення, такі як пісок та жир, видаляються механічним способом. Далі йде біологічне освітлення, при якому мікроорганізми розщеплюють органічні речовини - зокрема сполуки азоту. Далі за течією відбувається третя, хімічна стадія очищення, на якій осаджуються такі речовини, як фосфат. Ксенобіотики навряд чи можна або зовсім не видалити на звичайних очисних спорудах. Саме тут з’являється проект «Ксенокат» Анетт Вернер, керівника робочої групи з ферментних технологій Технічного університету Дрездена. "Ми завжди говоримо про мікроелементи, але насправді кілька тонн знеболюючого диклофенаку потрапляють у воду через так звану чисту воду щороку, трьох етапів очищення недостатньо", - говорить Вернер.
За словами Вернера, певний час обговорювали четвертий етап очищення очисних споруд. "Уже є підходи з використанням активованого вугілля або озонування, але вони мають поганий екологічний баланс і не можуть зробити все", - каже Вернер. Тому біотехнолог хотів доповнити проблему технологією фільтрування на основі іммобілізованих ферментів. Федеральне міністерство освіти та досліджень (BMBF) підтримало їх у конкурсі ідей "Нові продукти для біоекономіки". Спільний проект "Xenokat" фінансується з травня 2017 року на загальну суму близько 676 000 євро.
Металеві порожнисті кулі як носії
Команда Вернера використовує порожнисті металеві сфери розміром з горошину як матеріал-носій для очищення ферментів, які були створені в рамках іншого дослідницького проекту BMBF. "Ми шукали додатки для цих порожнистих сфер, і саме тут вступив у дію наш другий головний стовп у робочій групі: ферменти з грибів білої гнилі", - каже Вернер. В рамках дев'ятимісячного дослідницького етапу, на який BMBF внесла 60 000 євро, вона залучила на борт експертів з аналітики з Федерального інституту гідрології. Вона також змогла виграти біотехнологічну компанію ASA Spezialenzyme GmbH як промисловий партнер.
Металеві порожнисті кульки розміром із горошину служать матеріалом-носієм для ферментів з грибів білої гнилі. На новій стадії очищення грибкові ферменти повинні фільтрувати ксенобіотики з чистої води, які трапляються у все більших кількостях.
Комплекс компетенцій
Партнери спільно подали план проекту на конкурс ідей „Нові продукти для біоекономіки”. Після успішної оцінки дрезденські дослідники тепер можуть дозволити своїй ідеї розвиватися далі на дворічному етапі доцільності. “Багато колег подавали заявки в попередні роки і рекомендували мені конкурс ідей. І я також в захваті від дуже простого процесу подачі заявки », - каже Вернер. "Що, безумовно, допомогло нам успішно подати заявку, це поєднання компетенцій".
Грибкові ферменти можуть зламати ксенобіотики
Вернер є спеціалістом з видобутку та виробництва ферментів з грибів, так званих базидіоміцетів. Сюди також належать гриби білої та бурої гнилі, що руйнують деревину. Ці базидіоміцети єдині, хто здатний розщеплювати лігнін деревної маси. Вернер знає умови культивування, за яких гриби виробляють ферменти і виділяють їх у навколишнє живильне середовище. Команда Вернера особливо зацікавлена у так званих лакказах, пероксидазах та пероксигеназах. Ці ферменти здатні руйнувати хімічні сполуки з кільцевою структурою. Це робить ці біокаталізатори ідеальними для розщеплення ксенобіотиків із стічних вод.
Суміш 70 речовин у тесті на розкладання
У лабораторії здібності лаккази перевіряють сумішшю аналіту, що містить 70 різних речовин, включаючи харчові добавки, ліки та продукти їх перетворення. "Ви можете сприймати це як своєрідну колонку фільтра", - каже Вернер. Потім дослідники додають ферменти, нанесені на порожнисті металеві сфери, до суміші аналіту та вивчають процес деградації. «Ми також отримуємо підтримку від Stadtentwässerung Dresden, звідки ми отримали великі обсяги дренажу та даних. Це дозволяє нам перевірити потенціал руйнування ферментів на ранніх стадіях в реальних умовах », - пояснює Вернер.
З’єднайте ферменти з металевими кульками
Іммобілізація ферментів на металевих кульках є дуже важливим етапом, без якого лакази у стічних водах просто змивалися б. Але перші контрольні тести вже показали, наскільки складним є цей важливий крок: «Для того, щоб контролювати, наскільки ефективно наші лакази розщеплюють забруднюючі речовини, для порівняння ми використовували різні запатентовані та комерційно доступні ферменти. Але ферменти чутливі, а деякі після іммобілізації вже не були активними », - пояснює Вернер.
Після довгих роздумів Вернер та її команда нарешті зуміли вбудувати ферменти в матрицю. Потім цю суміш можна наносити дуже тонко на металеві поверхні. Ціль ферментних куль з грибковими лаказами полягає в тому, що біоактивне покриття зберігається протягом декількох тижнів. «Тоді металеві корпуси-носії можна зняти, термічно очистити і остаточно покрити. Цей обмін повинен тривати лише кілька годин », - говорить Вернер.
Перше практичне випробування на очисних спорудах
Однак до того, як це станеться, є ще дві основні віхи: Наприкінці цього року в Дрездені має відбутися семінар з експертами з цієї теми, на якому будуть обговорені наступні кроки. Крім того, восени 2018 року на очисних спорудах у Дрездені має бути встановлений невеликий фільтр із металевими речовинами-носіями та ферментами. За словами Вернера, це “тоді буде першим невеликим практичним випробуванням. Ми хочемо побачити, як кульки поводяться і як довго ферменти дійсно активні ". Однак перед тим, як їх можна використовувати на великих комунальних очисних спорудах, все ще потрібно багато технічних розробок, говорить Вернер. Декларована мета всіх партнерів проекту полягає в просуванні розвитку технології на основі біологічної основи для четвертого етапу очищення та спеціальних стічних вод у наступному проекті. Також слід враховувати поєднання різних методів.